Capítulo
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Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 5.1 Máquinas térmicas: Dispositivos cíclicos, cujo fluido operante retorna ao estado inicial no fim de cada ciclo Trabalho realizado pelo fluido operante durante parte do cíclico Trabalho realizado neste fluido operante na fase restante = Balanço de trabalho fornecido pela máquina O rendimento de um ciclo de uma máquina térmica depende em grande parte da forma como são realizados os processos que compõem o ciclo. O balanço de trabalho e o rendimento do ciclo são maximizados pelos: processos que necessitam o mínimo trabalho possível processos processos que realizem o máximo trabalho possível Ciclos mais eficientes reversíveis Ciclos constituídos inteiramente por processos reversíveis Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 4.2 Ciclos reversíveis: impossíveis, na prática, pois não se podem eliminar as irreversíbilidades associadas a cada processo servem como limites superiores ao desempenho de ciclos reais base para o desenvolvimento de ciclos reais, sendo modificados de modo a obter os resultados pretendidos. Ciclo De Carnot: ciclo reversível mais conhecido proposto em 1824 por Sadi Carnot máquina térmica de Carnot composto por 4 processos reversíveis : 2 isotérmicos e 2 adiabáticos. pode realizar-se em sistema fechado ou com escoamento em regime permanente. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 5.3 Ciclos de Potência Duas importantes da aplicação da termodinâmica são a produção de potência e a refrigeração, geralmente realizadas por sistemas que funcionam com um ciclo termodinâmico. Ciclos de potência: ciclos termodinâmicos segundo os quais funcionam os dispositivos ou sistemas utilizados para produzir um débito de potência (geralmente denominados motores). Ciclos de refrigeração: ciclos termodinâmicos segundo os quais funcionam os dispositivos ou sistemas utilizados para produzir o efeito de refrigeração (denominam-se frigoríficos, aparelhos de ar condicionado ou bombas de calor) Ciclos de vapor : fluido operante permanece na fase gasosa durante a totalidade do ciclo Ciclos de gás : fluido operante encontra-se na fase de vapor durante parte do ciclo e na fase líquida no restante período. Ciclos fechados: o fluido operante retorna ao estado inicial no fim do ciclo, sendo recirculado Ciclos abertos: o fluido é renovado no fim cada ciclo em vez de ser reutilizado. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 5.4 Nos motores de automóveis, os gases de combustão são expelidos e substituídos por uma mistura nova de ar e combustível no fim de cada ciclo. O motor funciona num ciclo mecânico, mas o fluido operante não completa a totalidade de um ciclo termodinâmico. As máquinas térmicas são categorizadas: combustão externa (tais como centrais térmicas a vapor), a energia é fornecida ao fluido através de uma fonte externa, tal como uma caldeira, poço geotérmico, reactor nuclear ou até o Sol combustão interna (tal como um motor de automóvel), o fornecimento de calor é realizado pela queima do combustível no interior da fronteira do sistema. Os ciclos encontrados nos dispositivos reais são de difícil análise devido à presença de efeitos complexos, tais como o atrito e a ausência de tempo suficiente para o estabelecimento de condições de equilíbrio durante o ciclo. De forma a tornar o estudo analítico viável é necessário manter as complexidades a um nível controlável e utilizar algumas simplificações. Quando o ciclo real é desprovido de todas as irreversibilidades internas e complexidades, obtém-se um ciclo que se assemelha bastante a um composto totalmente por processos internamente reversíveis: ciclo ideal Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 5.5 Os motores térmicos são projectados, com o intuito de converter formas de energia (geralmente na forma de calor) em trabalho, sendo o seu desempenho expresso em termos do rendimento térmico t que representa a razão entre o trabalho útil produzido pela máquina e o calor total recebido. t Wbal Qadm As máquinas térmicas que funcionam num ciclo totalmente reversível como o de Carnot, apresentam o máximo rendimento térmico de todas as máquinas térmicas que funcionam entre mesmos níveis de temperatura, ou seja, não é possível desenvolver um ciclo mais eficiente que o ciclo de Carnot. A maior parte dos ciclos encontrados na prática diferem significativamente do de Carnot, tornando-o inadequado como ciclo realista. Os ciclos ideais são internamente reversíveis mas, ao contrário do ciclo de Carnot podem não ser externamente reversíveis. Ou seja, podem desenvolver irreversibilidades externas ao sistema, tal como transferência de calor com diferença finita de temperatura. Portanto, o rendimento térmico de um ciclo real é geralmente inferior ao de um totalmente reversível que funciona entre os mesmos limites de temperatura. Porém, este é ainda consideravelmente superior ao de um ciclo real, devido às idealizações utilizadas. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 5.6 As idealizações e as simplificações geralmente utilizadas na análise de -potência podem ser resumidas a: o ciclo não envolve qualquer atrito ⇔ o fluido operante não sofre qualquer perda de carga, à medida que se escoa por tubos ou dispositivos permutadores de calor. todos os processos de expansão e de compressão ocorrem em quase-equilíbrio. as condutas que ligam os diversos componentes de um sistema são bem isoladas sendo desprezável a transferência de calor através destas. desprezam-se ainda as energias cinética e potencial do fluido operante. Isto é válido, visto que em dispositivos que envolvam trabalho do veio, tais como turbinas, compressores e bombas, os termos das energias cinética e potencial são geralmente muito pequenos em relação a outros termos da equação da energia. As velocidades do fluido encontradas nos dispositivos, como condensadores, caldeiras e tanques, são normalmente baixas, e os caudais de fluido sofrem pequenas variações nas suas velocidades, implicando variações de energia cinética desprezáveis. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 5.7 As tubeiras e difusores são os únicos dispositivos em que as variações desta energia são significativas, pois estes são especificamente projectados para grandes variações de velocidade. Os diagramas de propriedades, tais como os de p-v e T-s, serviram como auxiliares valiosos na análise de processos termodinâmicos. Em ambos os diagramas, a área limitada pelas curvas dos processos constitui o trabalho real produzido durante o ciclo, que é também equivalente à transferência de calor do ciclo. Este tipo de ciclo não envolve qualquer irreversibilidade interna, sendo a transferência de calor o único efeito que pode variar a entropia do fluido operante durante o processo. Num diagrama T-s, o processo de adição de calor procede na direcção do aumento de entropia, enquanto um processo de rejeição de calor procede na direcção da diminuição de entropia, e um isentrópico (internamente reversível e adiabático) procede com entropia constante. Neste diagrama, a área abaixo da curva do processo representa a transferência de calor. Qadm : área abaixo do processo de adição de calor é a medida geométrica do calor total fornecido durante o ciclo Qsai : a área abaixo do processo de rejeição de calor é a medida do calor total rejeitado. A diferença entre estas duas (a área definida pela curva do ciclo) é o balanço de transferência de calor ⇔ o balanço de trabalho produzido durante o ciclo. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 5.8 Portanto, num diagrama T-s, a razão entre a área interior ao ciclo e a área abaixo da curva do processo de adição de calor representa o rendimento térmico do ciclo. Qualquer modificação que aumente a razão destas duas áreas irá também melhorar o rendimento térmico do ciclo. Embora o fluido operante de um ciclo de potência ideal funcione em circuito fechado, o tipo de processos individuais que compõem o ciclo depende dos dispositivos individuais empregues para realizar o ciclo. No ciclo de Rankine que é o ciclo ideal para centrais térmicas a vapor, o fluido operante atravessa uma série de dispositivos com escoamento em regime permanente, tais como turbinas e condensadores, enquanto no ciclo Otto, que é o ciclo ideal para motores de combustão interna a gasolina, o fluido operante é altamente expandido e comprimido num dispositivo êmbolo-cilindro. Portanto, devem-se utilizar as equações relativas a sistemas com escoamento em regime permanente na análise do ciclo de Rankine e equações relativas a sistemas fechados na análise do ciclo de Otto. Ciclo de Carnot e o valor na Engenharia O ciclo de Carnot, é constituído por quatro processos totalmente reversíveis: adição isotérmica de calor, expansão isentrópica, rejeição isotérmica de calor e compressão isentrópica. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 5.9 Este ciclo pode ser realizado num sistema fechado (dispositivo êmbolo-cilindro) ou num sistema com escoamento em regime permanente (utilizando duas turbinas e dois compressores). Pode utilizar-se um gás ou vapor como fluido operante. O ciclo de Carnot,é o mais eficiente que pode ser realizado entre uma fonte quente à temperatura TQ e uma fonte fria à temperatura TF, sendo o seu rendimento térmico expresso como t ,Carnot 1 TF TQ Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 5.10 A transferência de calor isotérmica e reversível é extremamente difícil de alcançar na realidade, pois seriam necessários um permutador de calor muito grande e um período de tempo muito longo. Não é prático construir uma máquina que funcionaria num cicio muito próximo do de Carnot. O valor real do ciclo de Carnot resulta do facto de este ser tido como padrão e comparação de ciclos reais ou ideais. O rendimento térmico de um ciclo de Carnot é somente função das temperaturas das fontes quente e fria. O rendimento térmico aumenta com o incremento da temperatura média à qual o calor é fornecido ao sistema ou com a diminuição da temperatura média à qual o calor é rejeitado pelo sistema. ⇔ Ideia válida para ciclos reais e ideais. As temperaturas das fontes quente e fria que podem ser utilizadas na prática estão contudo limitadas. A temperatura máxima do ciclo está limitada pela resistência dos componentes da máquina térmica, tais como o êmbolo ou as pás da turbina. A menor temperatura está limitada pela temperatura do meio de arrefecimento utilizado, tal como um lago, um rio ou o ar atmosférico. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 5.11 Ciclo a Vapor de Carnot Admite -se o vapor de água como fluido operante, pois este é vulgarmente utilizado nos ciclos de potência a vapor. Considere um ciclo de Carnot com escoamento em regime permanente realizado na região de saturação de uma substância pura. O fluido é aquecido de uma forma reversível e isotérmica numa caldeira (processo 1-2), expandido isentropicamente numa turbina. (processo 2-3) condensado de uma forma reversível e isotérmica num condensador (processo 3-4) e comprimido isentropicamente por um compressor até ao estado inicial (processo 4-1). Existem várias dificuldades associadas a este processo: 1. A transferência isotérmica de calor de ou para um sistema bifásico não é difícil de se alcançar na prática visto que mantendo a pressão constante no dispositivo, o valor da temperatura de saturação virá automaticamente fixado. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 5.12 Os processos 1-2 e 3-4 podem ser aproximados por caldeiras e condensadores reais. Limitar os processos de transferência de calor a sistemas bifásicos limita consideravelmente a temperatura máxima que pode ser utilizada pelo ciclo (deve permanecer inferior ao do ponto crítico, 374º C para a água). ⇔ constrange o rendimento térmico. Qualquer tentativa para aumentar a temperatura máxima do ciclo ⇔ a transferência de calor para o fluido operante que se encontra numa única fase, sendo difícil de realizar isotermicamente. 2. O processo de expansão isentrópica (processo 2-3) pode ser aproximado por uma turbina bem projectada. O título de vapor diminui durante este processo. ⇔ a turbina processará vapor com elevado teor de humidade ⇔ A colisão de gotas de líquido nas pás da turbina provoca a sua erosão. Portanto vapor com título inferior a cerca de 90% não pode ser utilizado em centrais térmicas. Este problema poderia ser eliminado através da utilização de um fluido operante que apresente uma linha de vapor saturado muito inclinada. 3. A compressão isentrópica (processo 4-1) envolve a compressão de uma mistura de líquido e vapor para líquido saturado. Existem 2 dificuldades - não é fácil controlar o processo de condensação com precisão suficiente, de modo a obter o título desejado no estado 4 Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 5.13 - não é viável projectar um compressor que processe 2 fases Alguns destes problemas podem ser eliminados pela realização do ciclo de Carnot de uma forma diferente,(fig b). Surgem outros problemas, tais como a compressão isentrópica até pressões extremamente elevadas e a transferência de calor isotérmica a pressões variáveis. Conclui-se que o ciclo de Carnot não pode ser aplicado aos dispositivos reais, não podendo ser utilizado como modelo adequado para ciclos vapor. Ciclo de Rankine: O Ciclo Ideal de Potência a Vapor Muitas das dificuldades podem ser eliminadas através do sobreaquecimento do vapor numa caldeira e a completa condensação num condensador. O resultado é o ciclo de Rankine, que não envolve quaisquer irreversbilidades internas e consiste nos seguintes quatro processos: Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 5.14 1-2 Compressão isentrópica numa bomba 2-3 Adição de calor a pressão constante numa caldeira 3-4 Expansão isentrópica numa turbina 4-1 Rejeição de calor a pressão constante num condensador Na bomba entra água como líquido saturado (estado 1), sendo comprimida isentropicamente até à pressão de serviço da caldeira. A temperatura , devido à ligeira do volume específico da água. A água entra na caldeira como líquido comprimido (estado 2), saindo como vapor sobreaquecido (estado 3). A caldeira consiste basicamente num permutador de calor de grandes dimensões onde o calor cedido pelos gases de combustão, reactores nucleares ou outras fontes é transferido para a água a pressão essencialmente constante. A caldeira, em conjunto com a secção onde o vapor é sobreaquecido (sobreaquecedor), é denominada gerador de vapor. O vapor sobreaquecido (estado 3) entra na turbina onde é expandido isentropicamente, produzindo trabalho pela rotação do veio ligado ao gerador eléctrico. Durante este processo, a temperatura e a pressão do vapor para os valores do estado 4, e o vapor entra no condensador. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 5.15 Neste estado o vapor encontra-se geralmente na fase saturada com elevado título. O vapor é condensado a pressão constante no condensador, que é basicamente um permutador de calor de grandes dimensões, pela rejeição de calor para o meio de arrefecimento, tal como um rio, lago ou atmosfera. O vapor sai do condensador como líquido saturado e entra na bomba, completando o ciclo. Em regiões onde a água é um bem precioso, as centrais são arrefecidas por ar. A área abaixo da curva do processo no diagrama T-s representa o calor transferido em processos internamente reversíveis. A área abaixo da curva do processo 2-3 representa o calor transferido para a água na caldeira. A área abaixo da curva do processo 4-1 representa o calor rejeitado no condensador. A diferença entre estes dois valores (área definida pelo ciclo) representa o trabalho produzido pelo ciclo. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 5.16 Maquinas Frigorificas e Bombas de Calor Uma das aplicações principais da termodinâmica consiste na refrigeração, que representa a transferência de calor de uma região a uma temperatura inferior para outra a uma temperatura superior. O ciclo frigorífico mais vulgar é o de compressão de vapor, no qual o frigorigénio é vaporizado e condensado alternadamente, sendo a compressão realizada na fase de vapor. Outros ciclos incluem: refrigeração em cascata (utiliza mais de um ciclo) refrigeração a gás, ( frigorigénio permanece na fase gasosa durante todo o ciclo) refrigeração por absorção (frigorigénio é dissolvido num líquido antes de ser comprimido) refrigeração termoeléctrica (a refrigeração é produzida através da passagem de corrente eléctrica através de dois materiais dissimilares). Sabe-se por experiência que o calor se escoa na direcção da diminuição da temperatura. Este processo de transferência de calor ocorre na natureza sem necessidade de qualquer dispositivo. O processo inverso não ocorre espontaneamente. A transferência de calor de uma região a uma baixa temperatura para outra a uma temperatura elevada requer dispositivos especiais denominados máquinas frigoríficas ou frigoríficos. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 5.17 As máquinas frigoríficas são dispositivos cíclicos, sendo o fluido operante empregue denominado frigorigénio. QF : calor retirado do espaço arrefecido à temperatura TF QQ : calor rejeitado para o espaço quente à temperatura T Q Wbal,adm : balanço de trabalho admitido na máquina frigorífica.. Outro dispositivo que transfere calor de um meio a uma baixa temperatura para um meio a uma temperatura superior é a bomba de calor. As máquinas frigoríficas e as bombas de calor são essencialmente os mesmos dispositivos, diferindo apenas nos seus objectivos. A função de uma máquina frigorífica é manter o espaço arrefecido a uma temperatura baixa através da remoção de calor. A descarga de calor para um meio a temperatura superior é apenas uma operação necessária mas não o seu intuito. O objectivo de uma bomba de calor é manter um espaço aquecido a uma temperatura elevada. Isto é conseguido através da absorção de calor de uma fonte fria, tal como a água de um poço ou ar frio exterior no Inverno e fornecê-lo a um meio mais quente, tal como o interior de uma casa. O desempenho de máquinas frigoríficas e bombas de calor é expresso em termos de coeficiente de desempenho (COP) COPF QF Débito desejado Efeito de arrefecime nto Fornecimen to necessário Trabalho fornecido Wbal ,adm COPBC QQ Débito desejado Efeito de aqueciment o Fornecimen to necessário Trabalho fornecido Wbal ,adm Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 5.18 Estas relações podem também ser expressas na forma de taxa substituindo as quantidades QF , QQ e Wbal,adm por QF ,QF e Wbal ,adm Note que ambos COPBC e COPF podem ser superiores à unidade, sendo a relação entre eles COPBC = COPF + 1 Esta relação implica que COPBc > 1, visto que COPF é uma quantidade positiva, i.e., uma bomba de calor irá funcionar, no pior caso, como um aquecedor eléctrico de resistências, fornecendo a mesma energia para o interior de uma casa como a que consome. Na realidade, parte de QQ é perdido para o exterior através das condutas e outros dispositivos, e COPBC pode ser inferior à unidade quando a temperatura exterior é demasiado baixa (o sistema de aquecimento central normalmente comuta para resistências eléctricas ou para um combustível). Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 5.19 Ciclo de Carnot Inverso Visto que é um ciclo reversível, todos os quatro processos podem ser invertidos. A inversão do ciclo também troca as direcções de quaisquer interacções de calor de trabalho. O resultado é um ciclo que funciona na direcção anti-horária, denominado ciclo de Carnot inverso. Uma máquina frigorífica, ou bomba de calor, que opera segundo este ciclo denomina-se máquina frigorífica de Carnot, ou bomba de calor de Carnot. Considere um ciclo de Carnot inverso realizado no interior da região de saturação de um frigorigénio. processo 1-2 processo 2-3 processo 3-4 processo 4-1 absorve calor QF isotermicamente da fonte fria aTF comprimido isentropicamente até ao estado 3 (a temperatura eleva-se para TQ), rejeita calor QQ isotermicamente para a fonte quente a TQ (frigorigénio muda do estado de vapor saturado para o de líquido saturado no condensador) expande-se isentropicamente para o estado 1 (a temperatura desce para T F). Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 5.20 Os coeficientes de desempenho das máquinas frigoríficas e das bombas calor de Carnot são COPF ,Carnot 1 1 e COPBC ,Carnot TQ TF 1 TF TQ 1 Nota: os COP aumentam, à medida que a diferença entre duas temperaturas diminui, i.e., T F e T Q. O ciclo de Carnot inverso é o mais eficiente a funcionar entre dois reservatórios de temperatura definidas, não sendo, no entanto, o é modelo adequado para os ciclos em estudo. Os processos isotérmicos de transferência de calor podem ser realizados, já que a manutenção da pressão constante automaticamente fixa a temperatura de uma mistura bifásica no valor de saturação, logo os processos podem ser aproximados nos evaporadores e condensadores reais. Mas o processo 2-3 envolve a compressão de uma mistura de líquido e saturado que necessita de um compressor capaz de funcionar com duas fases e o 4-1 envolve a expansão de frigorigénio com elevado teor de humidade. Aparentemente, estes problemas poderiam ser eliminados pela execução do ciclo de Carnot inverso fora da região de saturação. Mas neste caso seria difícil as condições isotérmicas durante os processos de absorção e de rejeição de calor. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 5.21 Ciclo Frigorífico Ideal por Compressão de Vapor Muitas das dificuldades associadas ao ciclo inverso de Carnot podem ser eliminados pela vaporização completa do frigorigénio antes de ser comprimido e pela substituição da turbina por um dispositivo estrangulador, tal como uma válvula de expansão ou um tubo capilar. O resultado é o ciclo frigorífico ideal por compressão de vapor Este ciclo é o mais utilizado em frigoríficos, aparelhos de ar condicionado e bombas de calor, sendo constituído por quatro processos: 1-2 Compressão isentr6pica num compressor 2-3 Rejeição de calor a pressão constante num condensador 3-4 Expansão numa válvula 4-1 Absorção de calor a pressão constante num evaporador Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 5.22 1º Ano Num ciclo frigorífico ideal por compressão de vapor, o frigorigénio: Estado 1: entra no compressor como vapor saturado, sendo comprimido isentropicamente até à pressão do condensador (a temperatura do fluido eleva-se acima do valor do meio ambiente). Estado 2: entra sobreaquecido no condensador na fase de vapor Estado 3: sai como líquido saturado, resultante da rejeição de calor para a vizinhança. (a temperatura do fluido é ainda superior à da vizinhança). O frigorigénio é estrangulado até à pressão do evaporador, devido à passagem por uma válvula de expansão ou tubo capilar. A temperatura do fluido diminui para um valor inferior ao da temperatura do meio arrefecido. Estado 4: entra no evaporador como uma mistura saturada com um valor reduzido de título, sendo totalmente vaporizado, devido à absorção de calor do espaço refrigerado. O fluido sai do evaporador como vapor saturado e entra novamente no compressor, completando o ciclo. Num frigorífico doméstico, o compartimento do congelador serve de evaporador, onde calor é absorvido pelo frigorigénio. A serpentina localizada na traseira serve de condensador, onde calor é dissipado para o ar exterior. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 5.23 A área abaixo da curva do processo num diagrama T-s representa a transferência de calor de processos internamente reversíveis. A área abaixo do processo 4-1 representa o calor absorvido pelo frigorigénio no evaporador, e a área abaixo de 2-3 representa o calor rejeitado no condensador. Como regra geral, o COP melhora em 2 a 4% por cada °C de aumento da temperatura do evaporador ou diminuição da temperatura do condensador. Outro diagrama frequentemente utilizado na análise de ciclos frigoríficos por compressão de vapor é o P-h. Neste, três ou quatro processos surgem como linhas rectas, e a transferência de calor no condensador e no evaporador é proporcional aos comprimentos das curvas correspondentes aos processos. Note-se que, o ciclo de refrigeração ideal por compressão de vapor não é internamente reversível, devido à existência de um processo irreversível (estrangulamento). Se o dispositivo de estrangulamento fosse substituído por uma turbina isentrópica, o fluido entraria no evaporador no estado 4’ em vez de no estado 4. Devido a isto, a capacidade de refrigeração aumentaria e o trabalho fornecido diminuiria (no valor do trabalho debitado pela turbina). Contudo, esta substituição não seria viável, visto que os benefícios não justificam o custo e a complexidade adicionais. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 1º Ano 5.24 Todos os quatro componentes associados à refrigeração por compressão de vapor são de escoamento em regime permanente, pelo que os quatro processos que compõem o ciclo podem ser analisados como sendo de escoamento em regime permanente. As variações das energias cinética e potencial são geralmente muito pequenas em relação aos termos de trabalho e de transferência de calor, podendo ser desprezadas. Assim, a equação da energia de escoamento em regime permanente por unidade de massa reduz-se a: (qadm - qsai) + (wadm - wsai) = hs – he O condensador e o evaporador não envolvem qualquer trabalho, e a compressão pode ser aproximada como adiabática. Assim, os COP das máquinas frigoríficas e das bombas de calor que funcionam com o ciclo frigorífico por compressão de vapor podem ser expressos como COPF qF w bal ,adm COPBC qQ w bal ,adm h1 h4 h2 h1 h2 h3 h2 h1 Em que h1=hg@p1 e h3=hf@p3 , para o caso ideal. Inicialmente, os sistemas de refrigeração eram de grandes dimensões, sendo utilizados principalmente para a produção de gelo, fermentação e armazenamento frio. Não tinham controlo automático e eram accionados por máquinas a vapor. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 5.25 Nos anos de 1890, iniciou-se a substituição por unidades mais pequenas accionadas por motores eléctricos com controlo automático, surgindo sistemas de refrigeração em talhos e residências. Em 1930, os melhoramentos permitiram a existência de sistemas de refrigeração por compressão de vapor relativamente eficientes, fiáveis, compactos e pouco onerosos. Ciclos Frigorificos Reais por Compressão de Vapor Num ciclo frigorífico real por compressão de vapor difere do ideal devido principalmente às irreversibilidades (atrito no fluido que provoca perdas de carga e a transferência de calor para a vizinhança) que ocorrem nos vários componentes. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 5.26 Na prática, pode não ser possível controlar o estado do fluido de um modo muito preciso. É mais fácil projectar o sistema, de modo a que o frigorigénio se encontre ligeiramente sobreaquecido à entrada do compressor. Este ligeiro sobredimensionamento garante que o frigorigénio se encontre totalmente vaporizado quando entra no compressor. A conduta que liga o evaporador ao compressor é geralmente muito comprida e a perda de pressão provocada pela perda de carga no fluido e a transferência e calor da vizinhança para o frigorigénio podem ser muito significativas. O resultado do sobreaquecimento, é o aumento do volume específico que eleva o valor da potência a fornecer ao compressor (trabalho de escoamento em regime permanente é proporcional ao volume específico). O processo de compressão num ciclo ideal é internamente reversível e adiabático, sendo portanto isentrópico. Contudo, o processo de compressão real envolve efeitos de atrito que aumentam a entropia e a transferência de calor, que poderão aumentar ou diminuir a entropia do frigorigénio, dependendo da direcção. A entropia pode (processo 1-2) ou (processo 1-2’) durante uma compressão real, dependendo do efeito predominante. O processo de compressão 1-2' pode até ser mais desejável do que um processo isentrópico, visto que o volume específico do frigorigénio, e portanto o trabalho fornecido, é inferior. Nas situações reais, é inevitável alguma perda de carga do condensador e nas condutas de ligação entre este último e o compressor e para a válvula de estrangulamento. Termodinâmica Eng. Ambiente (nocturno) 1º Ano Capítulo 5b – Segunda Lei: Ciclos 5.27 Não é fácil realizar o processo de condensação com uma precisão tal que o frigorigénio se encontre em líquido saturado no final, sendo indesejável conduzi-lo para a válvula antes de se condensar. Portanto, o frigorigénio é ligeiramente subarrefecido antes de entrar na válvula de expansão. Isto não é relevante, visto que neste caso o fluido entra no evaporador com uma entalpia inferior, podendo assim absorver mais calor do espaço arrefecido. A válvula de expansão e o evaporador são geralmente localizados próximos um do outro, de modo a que a perda de carga da conduta de ligação seja pequena.
